DE3856475T2 - Monokristallines Dünnschichtsubstrat - Google Patents

Monokristallines Dünnschichtsubstrat

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG: Gebiet der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dünnfilm- Einkristallsubstrat, das nützlich ist bei der Herstellung eines Halbleiters. Insbesondere betrifft sie ein Dünnfilm- Einkristallsubstrat, das eine Einkristall-Diamantbasis und mindestens einen Film eines Einkristallmaterials darauf ausgebildet umfasst.
    • Beschreibung des Standes der Technik:
  • Manche Materialien mit kristalliner Struktur sind als Materialien für elektrische Elemente verwendbar. Beispielsweise wurde Siliciumcarbid als ein Material für ein wärme- und umweltbeständiges Element oder für ein lichtemittierendes Element untersucht, weil es mehrere Kristallstrukturen besitzt und abhängig von der Kristallstruktur eine Bandlücke von 2,2 bis 3,3 eV, weil seine Wärmeleitfähigkeit so gross wie 4,9 W/cm·K ist, weil bestätigt wurde, dass seine maximale Elektronenbeweglichkeit 1.000 cm²/V·sek ist, und weil es möglich ist, Valenzelektronen des p-Typs und n-Typs zu kontrollieren.
  • Die Kristallstrukturen des Siliciumcarbids werden grob in einen α- und einen β-Typ unterteilt. Da Siliciumcarbid des hexagonalen (6H) α-Typs eine grosse Bandlücke von etwa 2,9 eV hat, wird angenommen, dass es als ein Material für ein Element verwendet werden kann, das blaues Licht emittiert. Siliciumcarbid des kubischen (3C) β-Typs hat eine grosse Elektronenbeweglichkeit und wird als ein Material für ein Element untersucht, das beständig gegen Umwelteinflüsse ist.
  • Da ein Siliciumcarbid-Einkristall einen hohen Schmelzpunkt besitzt und chemisch stabil ist, ist es schwierig, einen grossen Einkristall mit guter Qualität herzustellen, der als ein halbleitendes Material verwendet werden kann. Daher werden Siliciumcarbid-Einkristalle gebildet, indem man sie in Gas- oder Flüssigphase auf einem Silicium- Einkristall oder Saphir wachsen lässt (vgl. JP-A-83588/1978 und JP-A-146299/1978).
  • Der Silicium-Einkristall hat jedoch verschiedene Nachteile. Da er beispielsweise eine Bandlücke von 1, 1 eV besitzt, die kleiner ist als die des Siliciumcarbid- Einkristalls, besitzt er einen kleineren Widerstand bei hoher Temperatur. Er besitzt einen niedrigen Schmelzpunkt und eine kleine thermische Leitfähigkeit von 1,5 W/cm·K. Infolge dieser Eigenschaften des Siliciumcarbids werden, wenn man den Siliciumcarbid-Einkristall auf dem Silicium- Einkristall wachsen lässt, die Vorteile des letztgenannten als wärmebeständiges Halbleitermaterial in grossem Masse beeinträchtigt. Folglich wird der Siliciumcarbid- Einkristall, der auf dem Silicium-Einkristall aufgewachsen ist, verwendet, indem der letztgenannte mit einer Säure entfernt wird, jedoch besitzt der verbleibende dünne Film des Siliciumcarbids eine Dicke von mehreren zehn um und bricht leicht oder wird verzerrt, was seine Handhabungseigenschaften verschlechtert.
  • Wenn der Siliciumcarbid-Einkristall ohne Entfernung des Silicium-Einkristalls verwendet wird, sollten die Elemente getrennt werden, indem eine Sperrspannung an der in der Siliciumcarbidschicht gebildeten p-n-Übergangszone angelegt wird. Dies macht das Herstellungsverfahren kompliziert.
  • Obwohl Saphir bis zu hohen Temperaturen ein Isolator und thermisch stabil ist, hat es einige Nachteile, wie einen kleinen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten von 0,11 W/cm·K und einen grossen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 7,8 · 10&supmin;&sup6;/K.
  • Zusätzlich zu den obigen Vorschlägen kann erwogen werden, einen Dünnfilm-GaAs-Einkristall auf dem Silicium- Einkristall oder den Silicium-Einkristall auf Saphir wachsen zu lassen. Diese Techniken haben jedoch die gleichen Probleme wie oben.
  • JP-A-61-236687 betrifft Maschinenteile, die aus Diamant mit einer hohen Haftung an einen Beschichtungsfilm und einer hohen Abriebfestigkeit hergestellt sind, und die für Videodiskplayer geeignet sind. Die elektrisch leitfähige Schicht des Beschichtungsfilms wird durch eine Grenzschicht zwischen einem Diamant-Basiskörper und einer äussersten Schicht, die aus einem superharten halbleitenden Material, wie beispielsweise B, BN, B&sub4;C, Si, SiC etc. gebildet ist, sowie eine Zwischenschicht, die aus einem elektrisch leitfähigen Metall, wie beispielsweise Ti, Ta, Nb, Hf, W, Zr, Cr, Ni etc., hergestellt ist, unterschieden. Die Zwischenschicht kann auch aus alternierend ausgebildeten, elektrisch leitfähigen Metallschichten und Schichten eines superharten halbleitenden Materials bestehen.
  • Ein von A. G. Cullis und G. R. Booker in "Thin Solid Films", 31 (1976), Seiten 53 bis 67, publizierter Artikel betrifft eine elektronenmikroskopische Studie epitaxialer Siliciumfilme auf Saphir- und Diamantsubstraten. Im Fall des auf Diamant abgeschiedenen Siliciums zeigten die dickeren Filme Hinweise auf eine teilweise Retention der ursprünglichen (111)-Substratorientierung. Die Filme waren jedoch in hohem Masse defekt, sie enthielten Mikroverzwillingung und Bereiche von Si, die allgemeine kristallografische Rotationen aufwiesen.
  • JP-A-59-213126 betrifft ein Diamant-Halbleiterelement. Das Substratmaterial ist ein Diamant-Einkristall vom N-Typ, dem P oder As zugesetzt ist und der (100)- oder (111)- Flächen auf der oberen Oberfläche aufweist. Darauf wird ein dünner Film des gleichen Diamanttyps ausgebildet.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
  • Es ist ein erfindungsgemässes Ziel, ein Substrat mit einem grossen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten bereitzustellen.
  • Ein weiteres erfindungsgemässes Ziel ist es, ein Substrat mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bereitzustellen.
  • Ein weiteres erfindungsgemässes Ziel ist es, ein Substrat mit guter Beständigkeit gegen Wärme und/oder Umwelteinflüsse bereitzustellen.
  • Diese und andere erfindungsgemässe Ziele werden mit einem Dünnfilm-Einkristallsubstrat erreicht, das ein Basissubstrat umfasst, das aus einem Diamant-Einkristall mit (100)-Flächenorientierung und mindestens einem dünnen Film eines Silicium-Einkristalls gefertigt ist.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
  • Fig. 1 und 2 sind Querschnitte typischer Strukturen des erfindungsgemässen Dünnfilm- Einkristallsubstrats;
  • Fig. 3 ist eine Fotografie des Beugungsmusters eines reflektierten Elektronenstrahls des Dünnfilm-Einkristalls, der in Beispiel 1 gebildet wurde;
  • Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt eines Apparats zur Ausbildung eines in Referenzbeispiel 1 verwendeten Dünnfilm- Einkristalls;
  • Fig. 5 ist ein Beugungsmuster eines reflektierten Elektronenstrahls des in Referenzbeispiel 1 gebildeten Dünnfilm-Siliciumcarbid- Einkristalls.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
  • Der Diamant-Einkristall hat einen grösseren thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten und eine kleinere relative dielektrische Konstante als andere Materialien, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. Wenn der Diamant als ein Basismaterial für ein halbleitendes Substrat verwendet wird, ist es möglich, ein Element herzustellen, das einer grossen Menge von Wärme widersteht, wie beispielsweise ein Hochleistungs-Hochgeschwindigkeits-Element (high power high speed element). Da der Diamant eine grosse Bandlücke aufweist, ist ein hochreiner Diamant-Einkristall bis zu etwa 1.000ºC ein guter Isolator und thermisch und chemisch bis zu etwa 1.000ºC stabil, und es ist möglich, sich seine Vorteile zunutze zu machen, wenn er zusammen mit Siliciumcarbid in dem wärmebeständigen und gegen Umwelteinflüsse beständigen Element verwendet wird. TABELLE 1
  • Gemäss der vorliegenden Erfindung kann das Basissubstrat aus natürlichem oder künstlichem Diamant hergestellt werden. Heutzutage wird ein künstlicher Diamant- Einkristall von mehreren Quadratmillimetern mit weniger Verunreinigungen (insbesondere Stickstoff) mit dem Extra- Hochdruckverfahren hergestellt.
  • Nach dem Extra-Hochdruckverfahren ist es möglich, einen halbleitenden Diamant-Einkristall vom p-Typ, nämlich den IIb-Typ, herzustellen, der geeignet ist für die Herstellung eines Hochleistungselements. Wenn das Hochleistungselement hergestellt wird, wird eine Elektrode auf dem Diamant-Einkristall angebracht.
  • Mit einem Dünnfilmverfahren oder einem Ionenimplantierungsverfahren kann sowohl p- als auch n-Typ-Diamant hergestellt werden. Vorzugsweise ist der Diamant-Einkristall ein halbleitender Diamant vom p-Typ, der wenigstens eines der Elemente Bor und Aluminium als Verunreinigung enthält.
  • Die Ebene des Diamant-Einkristalls der Basis, auf der der dünne Silicium-Einkristallfilm und/oder die Zwischenschicht aufgewachsen sind/ist, weist (100)- Orientierung auf.
  • Die Dicke der Diamantbasis ist gewöhnlich 0,05 bis 5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm.
  • Abgesehen von wenigstens einem dünnen Film eines Silicium- Einkristalls kann das erfindungsgemässe Substrat ferner mindestens einen Einkristall eines Materials umfassen, das ausgewählt ist aus Siliciumcarbid, Silicium, Bornitrid, Galliumnitrid, Indiumnitrid, Aluminiumnitrid, Borphosphid, Cadmiumselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumphosphid, Galliumantimonid, Indiumarsenid, Indiumantimonid, Aluminiumphosphid, Aluminiumarsenid, Aluminiumantimonid, Cadmiumtellurid, Quecksilbersulfid, Zinkoxid, Zinksulfid, Zinkselenid und Zinktellurid. Der Einkristall kann ein Mischkristall sein. Ferner können zwei oder mehr dünne Filme des Einkristalls gebildet werden.
  • Die Dicke des Dünnfilm-Einkristalls ist gewöhnlich 10 bis 10.000 nm, bevorzugt 50 bis 2.000 nm.
  • Da Siliciumcarbid Bindungsverhältnisse hat, die denen des Diamants ähnlich sind, und eine Gitterkonstante, die derjenigen von Diamant nahekommt, ist eine weitere dünne Einkristallschicht vorzugsweise aus einem Siliciumcarbid Siliciumcarbid-Einkristall im kubischen oder hexagonalen System hergestellt. Zwei oder mehr solcher dünnen Schichten können laminiert sein. Zusätzlich ist die dünne Einkristallschicht bevorzugt hergestellt aus einem Siliciumcarbid-Einkristall vom p-Typ, der mindestens ein Verunreinigungselement enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Bor, Aluminium, Gallium und Indium, oder aus einem Siliciumcarbid-Einkristall vom n-Typ, der mindestens ein Verunreinigungselement enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon und Lithium. Zwei oder mehr der dünnen Einkristallfilme vom p-Typ und/oder dünnen Einkristallfilme vom n-Typ können laminiert sein.
  • Der dünne Silicium-Einkristallfilm kann auf der Diamantbasis mit beliebigen herkömmlichen Verfahren, wie Gasphasenverfahren (z. B. dem Sublimationsverfahren, dem thermischen CVD-Verfahren, dem Plasma-CVD-Verfahren, dem Reaktionsabscheidungsverfahren und dem MBE-Verfahren) und Flüssigphasenverfahren, gebildet werden.
  • Wenn sich die Gitterkonstante des aufzuwachsenden Einkristalls sehr von derjenigen des Diamant-Einkristalls unterscheidet, kann das erfindungsgemässe Dünnfilm- Einkristallsubstrat eine Zwischenschicht zwischen der Diamantbasis und dem dünnen Film des Einkristalls umfassen. Zum Beispiel besitzt der Diamant-Einkristall eine Gitterkonstante von 3,5667 Å, während der Silicium- Einkristall eine Gitterkonstante von 5,4301 Å besitzt. In einem solchen Fall ist die Flexibilität der Bedingungen beim Aufwachsen des Einkristalls auf den Diamant- Einkristall sehr beschränkt und es ist schwierig, einen Einkristall mit guter Qualität aufzuwachsen. Die Zwischenschicht kann aus einem Siliciumcarbid-Einkristall oder Diamant-Einkristall hergestellt werden.
  • Der Siliciumcarbid-Einkristall kann mit dem CVD (chemical vapor phase deposition)-Verfahren, dem modifizierten CVD (MCVD)-Verfahren oder dem MBE (molecular beam epitaxy, Molekularstrahlepitaxie)-Verfahren gebildet werden. Der Diamant-Einkristall kann mit dem thermischen CVD- Verfahren, dem Plasma-CVD-Verfahren, dem Elektronenstrahl- CVD-Verfahren, dem Ionensputteringverfahren, dem optischen CVD-Verfahren und dergleichen gebildet werden.
  • Wie oben beschrieben, besteht das Dünnfilm- Einkristallsubstrat aus der Diamant-Einkristallbasis (1) und der dünnen Einkristallschicht (2), wie in Fig. 1 gezeigt, oder es besteht aus der Diamant-Einkristallbasis (1), der Zwischenschicht (3) und dem dünnen Einkristallfilm (2), wie in Fig. 2 gezeigt.
    • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG:
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele veranschaulicht.
    • BEISPIEL 1
  • Auf der (100)-Ebene einer Basis, die hergestellt war aus einem Diamant-Einkristall vom IIa-Typ (2 · 2 · 0,3 mm), der mit dem Extra-Hochdruckverfahren hergestellt wurde, wurde mit Plasma-CVD aus einer Mischung von Monosilan (SiH&sub4;) und Wasserstoff (molares Verhältnis 1 : 50) bei 1.050ºC unter einem reduzierten Druck von 0,67 kPa (5 Torr) ein dünner Siliciumfilm mit einer Dicke von 500 nm ausgebildet.
  • Nach Erhitzen des hergestellten Substrats bei 900ºC unter einem reduzierten Druck von 1,3 · 10&supmin;&sup6; Pa (1 · 10&supmin;&sup8; Torr) wurde das Substrat mit Elektronenstrahlbeugung in Reflexion beobachtet und so die Fotografie von Fig. 3 erhalten. Das Beugungsmuster besass die Kikuchi-Linie, was anzeigte, dass der dünne Siliciumfilm aus einem Einkristall mit guter Qualität bestand.
    • BEISPIEL 2
  • Auf der gleichen Ebene des gleichen Diamant-Einkristalls, wie er in Beispiel 1 verwendet wurde, wurde mit CVD aus einer Mischung von Monosilan, Propan und Wasserstoff (molares Verhältnis 1 : 4 : 95) bei 1.350ºC unter einem reduzierten Druck von 53,3 kPa (400 Torr) für 20 Minuten ein dünner Siliciumcarbidfilm mit einer Dicke von 500 um als Zwischenschicht ausgebildet. Auf der Siliciumcarbid- Zwischenschicht wurde mit CVD aus einer Mischung von Monosilan, PH&sub3;, und Wasserstoff (molares Verhältnis 10&sup5; : 1 : 10&sup7;) bei 1.050ºC unter einem reduzierten Druck von 13,3 kPa (100 Torr) für 30 Minuten ein phosphordotierter Siliciumfilm vom n-Typ aufgewachsen. Das Beugungsmuster des reflektierenden Eletronenstrahls des gebildeten Siliciumfilms besass die Kikuchi-Linie, was anzeigte, dass der dünne Siliciumfilm aus einem Einkristall bestand. Gemäss den Messungen des Halleffekts besass der Siliciumfilm vom n-Typ eine Trägerdichte von 3 · 10¹&sup7;/cm³ und eine Elektronenbeweglichkeit von 900 cm²/V·sek.
    • REFERENZBEISPIEL 1
  • Ein dünner Einkristallfilm wurde unter Verwendung eines Apparats hergestellt, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, der eine doppelwandige Quarzröhre (4), eine Trägerplatte (6), die aus mit Siliciumcarbid bedecktem Graphit hergestellt worden war, einen 400 kHz Hochfrequenzoszillator (7), einen Einlass (8) und einen Auslass (9) für Kühlwasser, eine (wassergekühlte) Arbeitsspule (10) und einen Einlass (11) und einen Auslass (2) für Gase umfasste.
  • Ein Teststück eines Einkristalls des natürlichen Diamants vom IIb-Typ (2 · 2 · 0,5 mm) wurde auf der Trägerplatte (6) angebracht. Nach der Evakuierung des Inneren der Quarzröhre (4) wurde eine Wechselspannung von 400 kHz und 2 kW an die Arbeitsspule (10) angelegt, wobei Wasserstoffgas in die Röhre eingeleitet wurde, um den Druck bei 10,7 kPa (80 Torr) zu halten. Während die Trägerplatte (6) durch Induktionsheizung durch Spule (10) bei 1.340ºC gehalten wurde, wurden Stickstoff, Monosilan, Propan und Wasserstoff in einem Flussverhältnis von 1 : 50 : 100 : 2.000 für 20 Minuten unter einem reduzierten Druck von 10,7 kPa (80 Torr) in die Röhre geleitet, und so ein Siliciumcarbid-Einkristall vom n-Typ aufgewachsen. Danach wurden Diboran,. Monosilan, Propan und Wasserstoff in einem Flussverhältnis von 0,2 : 50 : 100 : 2.000 für 30 Minuten unter den gleichen Bedingungen zugeführt und so ein Siliciumcarbid-Einkristall vom p-Typ aufgewachsen.
  • Die Beugungsanalyse des reflektierten Elektronenstrahls der Oberfläche der gewachsenen Siliciumcarbidschicht ergab ein Beugungsbild, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Aus diesem Beugungsmuster wurde die Gitterkonstante zu 4,35 Å berechnet, was anzeigte, dass der Kristall kubisches (3C) Siliciumcarbid war.
    • REFERENZBEISPIEL 2
  • Ein Teststück eines künstlichen Diamant-Einkristalls vom Ib-Typ wurde zusammen mit hexagonalem Siliciumcarbidpulver in einen Graphittiegel gegeben und unter einem reduzierten Druck von 66,7 Pa (0,5 Torr) unter Argongaszufuhr auf 1.750ºC erhitzt, und so für 15 Minuten durch Sublimation von Siliciumcarbid ein Siliciumcarbidkristall auf der Oberfläche des Diamant-Teststücks aufgewachsen.
  • Die Beugungsanalyse des reflektierten Elektronenstrahls der Oberfläche der aufgewachsenen Siliciumcarbidschicht ergab, dass der Kristall hexagonaler (6H) Siliciumcarbid war.
  • Die Referenzbeispiele 1 und 2 bilden keinen Teil der Erfindung.

Claims (2)

1. Dünnfilm-Einkristallsubstrat, das ein Basissubstrat umfasst, das aus einem Diamant-Einkristall mit (100)- Ebenenorientierung und mindestens einem dünnen Film eines Silicium-Einkristalls hergestellt ist.
2. Dünnfilm-Einkristallsubstrat gemäss Anspruch 1, wobei die Diamant-Einkristallbasis aus einem Diamanten vom p-Typ hergestellt ist, der mindestens ein Verunreinigungselement enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bor und Aluminium.
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